锂离子电池材料探析

　　摘

 要：锂离子电池是高效的能量转化和存储设备。锂离子电池材料对其性能有着直接

的影响。现阶段，锂离子电池的正极材料主要有层状的钴酸锂（

LiCoO2）、氧化镍锂

（

LiNiO2）、锰酸锂（LiMnO2）和磷酸铁锂（LiFePO4）等；负极材料主要有各种碳材料

与一些非碳负极材料，如硅和钛酸锂（

Li4Ti5O12）；电解液主要为非水系电解液；隔膜主

要为聚烯烃隔膜。锂离子电池不同构成部分的材料，有着一定的发展、应用历程，对其进行
探究，具有广泛的应用前景。

 

　　关键词：锂离子电池

 正极 负极 隔膜 电解液 材料 

　　随着经济的飞速发展，能源供需矛盾日益加剧。一些能源，如太阳能、地热、风能等，在
空间分布上不平衡，导致有效利用难度较大。为了解决此类问题，能源转化和存储设备的研
究受到越来越多的关注。锂离子电池就是能够实现能源高效转化和存储的设备之一，近年来
锂离子电池的研究得到广泛开展。高功率、高容量的正负极材料是锂离子电池发展的关键，
探索低成本、高能量密度的锂离子电池材料，成为了锂离子电池推广应用的必由之路。

 

　　

1 锂离子电池概述 

　　锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成。锂离子电池正极能够为电池提供锂
源，主要是含锂化合物

[1]。锂离子电池充电的时候，锂离子会脱离正极材料，并受到内部

电场的影响进入电解液，最后通过隔膜进入到负极材料当中。与此同时，电池的电子将脱离
被氧化的正极材料，通过外电路进入负极材料，并发生还原反应，使得电能转化为化学能
进而存储于电池当中。锂离子电池放电的过程和充电的过程正好相反，从负极脱出的锂离子
进入到电解液中，通过隔膜进入正极材料，通过外电路做功，电子把存储在电池中的化学
能转化为电能。现阶段，锂离子电池的正极材料大多为含锂的过渡金属化合物，例如，橄榄
石结构的磷酸铁锂、尖晶石型的锰酸锂和层状的钴酸锂等。锂离子电池的负极材料大多为石
墨化碳材料。锂离子电池的电解液大多为碳酸二乙酯、碳酸二甲酯等的聚合物或有机溶液。

 

　　

2 锂离子电池的电极材料 

　　

2.1 锂离子电池正极材料 

　　目前，锂离子电池的正极材料包括三大类：聚合物材料、复合材料和无机材料

[2]。其中，

应用最广的是无机材料，其可以分为阴离子型材料和无机复合氧化物。复合氧化物又可以分
为反尖晶石型、尖晶石型和层状型等。具体而言，锂离子电池的正极材料主要为层状的钴酸
锂、氧化镍锂、锰酸锂和磷酸铁锂等。

 

　　其中，层状的钴酸锂是一种十分成熟的锂离子电池正极材料。层状的钴酸锂属于六方晶
系，有着层状岩盐结构（

α-NaFeO2）。层状的钴酸锂的理论比容量为 274 mAh/g，但是其实

际可逆比容量仅为

140274 mAh/g。层状钴酸锂的有着 500 次以上的循环寿命，3.7 V 左右的

工作电压，充电和放电电压较为平稳，循环性能好、比能量高，适用于大电流充放电。此外，
层状的钴酸锂容易制备，生产工艺相对简单，所以层状钴酸锂在目前的市场上仍然占有较
大的份额。但是，因为钴是一种有毒物质，并且价格较高，抗过充电性较差，所以越来越多
的替代层状钴酸锂的锂离子电池材料不断被研发出来。

 

　　尖晶石型的锰酸锂是有望代替层状钴酸锂的锂离子电池正极材料之一

[3]。尖晶石型的

锰酸锂属于

Fd-3 m 空间群，锂原子占据 1/8 四面体空隙 8a 位置，氧原子位于晶胞 32e 位置，

锰原子占据八面体空隙

16d 位置。通过共面与共边，空的八面体与四面体相互联结，进而构

成了锂离子扩散的三维通道。锂离子三维扩散通道使尖晶石型的锰酸锂有着良好的倍率性能，
提高了材料的安全性。尖晶石型的锰酸锂的实际容量是

120 mAh/g，理论容量是 148 

mAh/g，电位平台为 4.1 V 左右，可以达到 500 次以上的循环寿命。尖晶石型的锰酸锂的充
电曲线有两个平台，其放电截止电压大于等于

3.0 V。从 20 世纪 90 年代起，对尖晶石材料

的研究就广泛的开展，锂离子在尖晶石结构中有着较好的迁移率，通过掺杂替换能够提高